電池セル組立における積層工程と巻回工程の比較

TOB技術チームによる

電池セル設計が電極アセンブリ段階に到達すると、その後のほぼすべてを左右する一つの決定があります。それは内部抵抗、エネルギー密度、熱挙動、サイクル寿命、そしてアセンブリライン全体の設備レイアウトに影響します。その決定とは、積層方式と巻回方式の選択です。これは単なる技術上の補足事項ではありません。進む道を分ける分岐点です。そして大型角形セル、全固体電池アーキテクチャ、超薄型パウチ設計の台頭により、積層と巻回の選択問題は10年前よりも重要性を増し、同時に判断が難しくなっています。巻回システムと積層システムの両方を設計・製造する設備サプライヤーは、研究開発ラボからギガワット時規模の工場まで、ほぼすべての顧客プロジェクトの中心でこの判断に直面しています。

A部：2つのプロセスの仕組み

巻回と積層は同じ目標を共有しています。それは正極、セパレーター、負極を組み合わせてセル構造を形成することです。しかし、そこに到達する物理的メカニズムは根本的に異なります。

巻回は連続プロセスです。電極とセパレーターのウェブは同時に巻回機へ送り込まれ、回転するマンドレルの周囲に巻き付けられて、円筒形または扁平な楕円形のジェリーロールを形成します。主要な制御パラメータは、各ウェブの張力制御、層間の位置合わせ精度、巻回速度です。このプロセスは円筒形セルにとって幾何学的に自然です。丸いジェリーロールは丸い缶に完全に適合します。角形セルでは、挿入前にジェリーロールを平らに押しつぶします。巻回とは、線状のものを巻いて体積に変換するようなものだと考えられます。

積層は個別処理のプロセスです。あらかじめカットされた正極シート、セパレーター層、負極シートを交互に配置します。通常は、1枚の連続したセパレーターが電極シート間をジグザグに折り返すZフォールド方式、またはロボットアームが複数のシートを同時に配置する多層ピックアンドプレース方式を用います。主要な制御パラメータは、シート配置精度、折り畳み中のセパレーター張力、積層速度です。積層はパウチセルや大型角形セルにとって幾何学的に自然です。平坦な層によって、曲げのない長方形ブロックが形成されます。積層とは、個々の平面を取り出し、層ごとに積み重ねて体積を構築するようなものだと考えられます。

これらのプロセスの違いの根底には、2つの方式間の性能差の大部分を生み出す単一の物理的相違があります。巻回されたジェリーロールでは、電極とセパレーター層がマンドレルの周囲で曲げられるため、各曲げ点で曲率による機械的応力が発生します。積層構造では、各層が平坦に配置され、応力は平面全体に均等に分散されます。この違い、つまり曲率応力と平面応力の違いが、これから説明する5つの性能差の根本原因です。

巻回と積層のプロセス

B部：性能比較の5つの側面

内部抵抗とレート性能

巻回ジェリーロール内の曲率応力は均一ではありません。内側の層、つまりマンドレルに最も近い層では、曲げ半径が最も小さく、内部電極に最大の圧縮応力が発生します。これは電極とセパレーターの界面における局所的な接触抵抗の増加につながります。高レート放電時には、電流が低抵抗領域に集中し、曲げ部分で局所的なホットスポットが発生します。積層セルではこの問題を回避できます。電極シートは平坦に配置されます。電流は均一に分散します。その結果、全体の内部抵抗が低下し、高レート性能が向上します。巻回機と積層機の両方を製造するTOB NEW ENERGYは、顧客データでこれを直接確認しています。同じ化学系、同じコーティングラインでも、組立方式によってセルインピーダンスに測定可能な違いが生じます。4680のようなタブレス大型円筒設計では、電流収集経路が再設計され、巻回による抵抗ペナルティが軽減されていますが、曲げ部分の機械的応力は残っています。

エネルギー密度と空間利用率

円筒形巻回セルでは空間が無駄になります。丸いジェリーロールによって円筒缶内に未充填の角部分が残るためです。角形缶内の扁平化した巻回ジェリーロールはこれを改善しますが、それでも湾曲した端部が残ります。積層セルは長方形空間を効率的に満たします。同じ外形寸法の場合、積層角形セルは通常、巻回角形セルより3～8％高い体積エネルギー密度を実現します。1立方センチメートルの差も重要になる用途、例えば高級電気自動車や超薄型民生電子機器では、この差は決定的です。両方の技術が利用可能な角形セルでは、積層によるエネルギー密度の優位性が顧客採用を促進する主要因です。

熱挙動と安全性

巻回セルでは、高い局所抵抗を持つ曲げ部分が負荷時に比例して多くの熱を発生します。局所的なホットスポットは局所的な副反応、つまり電解液分解やSEI膜破壊を引き起こし、さらに温度上昇を促進する可能性があります。積層セルでは、平坦な電極界面により電流密度がより均一になり、その結果、発熱も均一になります。各電極対の間にあるセパレーター層は熱障壁としても機能します。ある層から次の層へ伝わる熱はセパレーターを通過する必要があり、その拡散速度が低下します。大容量エネルギー貯蔵や安全性が重要な自動車用セルでは、この熱均一性の利点が、高級用途における業界の積層方式への移行を促進しています。

サイクル寿命

すべての充放電サイクルは、電極材料の膨張と収縮を引き起こします。黒鉛負極は約10％膨張します。シリコンを含む負極は300％以上膨張する可能性があります。巻回構造では、この周期的応力が曲げ部分に集中し、繰り返される膨張と収縮によって電極と銅箔の界面が劣化します。積層構造では、平面層がより拘束されない膨張を経験し、単一点にかかる機械的応力が低くなります。特にシリコン・カーボン複合負極など、大きな体積変化を伴う材料を使用する化学系では、積層によるサイクル寿命の利点は大きくなる可能性があります。2000サイクル時点では、それが支配的な要因になります。経験豊富なアプリケーションチームは、シリコン含有材料が開発計画に含まれる場合、顧客を積層方式へ導くことがよくあります。それは積層が普遍的に優れているからではなく、巻回セルにおけるサイクル寿命劣化メカニズムが十分理解されており、設計による回避が難しいためです。

製造歩留まり

巻回と積層は、それぞれのプロセス物理を反映した異なる歩留まり特性を持ちます。巻回では、連続した電極ウェブ（多くの場合60メートル以上）が機械を通過します。その長さのどこかで張力変動、位置ずれ、または粉塵粒子が発生すると、ウェブ全体の該当部分が廃棄になる可能性があります。毎分20～30個という高スループットでは、経済性によってこのリスクが部分的に相殺されます。積層では、電極シートは事前にカットされており、不良シートは積層工程に入る前に廃棄されます。失われるのは1枚のシートであり、1ロールではありません。しかし積層にも独自の歩留まり課題があります。高速化すると、ロボットによるピックアンドプレース機構は、薄く柔軟な電極シートを確実に扱う必要があります。200ppmを超える高速積層には、極めて高い機械精度が求められます。

標準化された大量生産では、巻回のスループット成熟度が歩留まり・コスト面で優位性をもたらします。一方、大型で高付加価値のセルでは、1回の廃棄事象のコストがはるかに高いため、積層の欠陥分離性が品質面での優位性を提供します。両方の技術に経験を持つサプライヤーは、どちらか一方を普遍的に推奨するのではなく、顧客固有の生産経済性に基づいて、これらのトレードオフを評価する支援ができます。

C部：どの電池タイプがどのプロセスを使用するか

円筒形セル ― 巻回方式が本領を発揮する領域。円筒形セル — 18650、21700、4680 — は圧倒的に巻回方式が採用されています。形状そのものが選択を決めます。丸い缶の中に丸いジェリーロールを入れる構造です。特許CN202122173244の張力および位置合わせ技術を組み込んだTOBの円筒形巻回システムは、これらの形式を量産規模で対応します。今後も巻回は円筒形セル生産を支配し続けるでしょう。

パウチセル — 積層方式が自然に適する領域。柔軟なアルミニウムラミネート製パウチ筐体は、機械的強度をセル内部構造に依存しています。巻回したジェリーロールをパウチに挿入すると、充放電サイクル中に不均一な膨張力が発生します。湾曲した端部が非対称に外側へ押し出され、パウチシールに応力を与えます。積層構造は均一な平面圧力を発生させます。最も低コストのパウチセルを除き、積層方式が標準的な選択です。

角形セル — 競争の中心地。ここは積層方式と巻回方式の選択が最も激しく議論される領域です。巻回式角形セルは、成熟した高スループット巻回設備と低い設備投資コストの恩恵を受け、コスト重視のLFPエネルギー貯蔵用途で魅力的です。積層式角形セルは、より高いエネルギー密度、低い内部抵抗、長いサイクル寿命を実現し、高級EVバッテリー向けの優先的な方式となっています。角形セルにおける積層方式の割合は、自動車メーカーによるエネルギー密度と急速充電性能への要求により増加しています。両方の技術を提供する設備サプライヤーは、特定用途にどの方式が適合するかを評価できる立場にあります。なぜなら、答えは決して万能ではないからです。

全固体セル — 積層方式が唯一の実行可能な方法。固体電解質 — 酸化物セラミックス、硫化物ガラス、ポリマーフィルムのいずれであっても — は巻回マンドレルの周囲に曲げることができません。破損するか、界面接触を失います。積層は、あらゆる全固体電池アーキテクチャの組立基盤です。全固体技術が工業化へ進むにつれ、TOB NEW ENERGYを含む積層および巻回システムの専門知識を持つ設備サプライヤーは、脆弱な電解質層を扱える高精度積層技術への需要増加を享受するでしょう。

パートD：設備、経済性、デュアル技術能力の価値

巻回機と積層機は、異なるコスト構造を持つ異なるエンジニアリングシステムです。

A バッテリー巻回機 は速度に最適化されています。張力制御システムは、毎分25個以上の処理速度でも正確なウェブ張力を維持します。位置合わせシステムは、ウェブが連続移動している間も電極とセパレーターの端部を±0.2〜0.5ミリメートル以内に保持します。エンジニアリング上の課題は、速度と精度の維持です。この2つの変数は本質的に相反します。標準化された円筒形フォーマット向け巻回機は、数十年にわたる改良の恩恵を受け、単位スループットあたりで最も費用対効果の高い組立設備を提供します。

TOB New Energyのターンキーライン上で薄型バッテリーセパレーターを処理する自動円筒形セル巻回機

バッテリー積層機 は個々のシートレベルでの精度に最適化されています。位置決め精度とピックアンドプレースの信頼性が積層品質を決定します。高速域 — 200ppm超 — では、サブ秒サイクル時間で薄く柔軟な電極シートを扱いながら配置精度を維持することは、極めて高度な機械工学上の課題です。連続セパレーターを使用するZ折り、多層ピックアンドプレース、ホットラミネーションなど、異なる積層技術は、速度、精度、コストの間で異なるトレードオフを提供します。

設備コストの比較は、初期設備投資だけにとどまりません。同等容量の積層ラインと比較すると、通常、巻回ラインはスループット単位あたりのコストが低くなります。しかし、積層セルの高いエネルギー密度は市場でのプレミアム価格を獲得できます。長いサイクル寿命は保証コストを削減できます。高価値用途では、積層設備の追加コストは製品性能によって回収できます。コスト重視用途では、巻回方式の設備効率は依然として魅力的です。TOBのエンジニアリングチームは、角形セルプロジェクト向けに両方のシナリオを日常的にモデル化し、顧客が積層方式の追加コストを単独の設備費ではなく、製品寿命全体におけるエネルギー密度向上とサイクル寿命延長の機能として評価できるようにしています。

供給元工場TOB New Energyが設計した包括的なバッテリー生産ラインソリューションおよび積層設備。

TOB NEW ENERGYは、巻回および積層設備の両方を供給しています。高速巻回における主要なエンジニアリング課題である張力変動と位置ずれに対応する独自の巻回機特許（CN202122173244）によって支えられています。この特許は公開情報として検証可能です。これは特定の技術課題に対する具体的なエンジニアリング作業を示しています。両技術における深いエンジニアリング能力を持つことで、TOBは単一種類の機械だけを製造する企業にありがちな構造的偏りなしに、顧客の材料システム、セル形式、生産経済性を評価できます。両方式が実行可能な角形セルでは、この客観性が、用途に最適化された生産ラインと、サプライヤーの製品カタログに最適化されたラインとの違いを生む可能性があります。

パートE：積層方式と巻回方式を選択するための判断フレームワーク

積層方式と巻回方式の選択問題には、4つの複合的な側面に基づく体系的な評価が必要です。

第一：セル形式。円筒形 → 巻回方式。パウチ → 積層方式。角形 → 両方が実行可能であり、評価を続けます。

第二：性能要件。高エネルギー密度、急速充電能力、または長いサイクル寿命 → バランスは積層方式に傾きます。コストを主要な要素とする中程度の性能 → 巻回方式は依然として競争力があります。

第三：生産経済性。大量の標準化生産 → 巻回方式のスループットは容易には超えられません。少量、高価値、または多形式生産 → 積層方式の柔軟性が重要になります。

第四：技術ロードマップ。開発経路に全固体電池が含まれる場合 → 積層方式は必須です。将来の化学系にシリコン主体負極のような高膨張材料が含まれる場合 → 積層方式のサイクル寿命上の優位性が戦略的に重要になります。

これらの側面の相互作用は、単一の要素よりも重要です。角形セル、高エネルギー密度、全固体化ロードマップの組み合わせは、明確なエンジニアリング上の選択として積層方式を示します。円筒形セル、成熟したLFP化学系、コスト重視生産の組み合わせは、巻回方式を成熟した解決策とします。このフレームワークは、経験豊富なエンジニアリングチームが顧客と協業する際に適用するものです。なぜなら、最も高価な決定は間違った技術を選ぶことではなく、フレームワークなしで選択することだからです。

パートF：トレンドは置き換えではなく分岐である

積層方式も巻回方式も消滅することはありません。巻回方式は時代遅れではありません。積層方式がすべての用途で優れているわけでもありません。変化しているのは用途の環境です。巻回方式は依然として円筒形セル生産に深く根付いており、この形式は単位数で見ると現在も世界のバッテリー生産の大部分を占めています。積層方式は、巻回方式では満たせない性能要求によって、高級角形およびパウチ用途へ拡大しています。全固体電池はこの拡大を加速させるでしょう。なぜなら、すべての全固体セルは積層構造になるからです。

エンジニアにとっての目標は、技術を用途に適合させること、そして両方の技術に深いエンジニアリング能力を持つサプライヤーと提携することです。TOB NEW ENERGYは、社内巻回R&Dと積層エンジニアリングに支えられたデュアル技術能力を提供します。

電池の積層方式と巻回方式の概要： 積層と巻回は、リチウムイオン電池の製造における2つの主要な電極組立方式であり、どちらを選択するかによって、内部抵抗、エネルギー密度、熱安全性、サイクル寿命、製造コストに影響を与えます。 巻回方式 — 電極とセパレーターのウェブをマンドレルの周囲に巻き付ける連続プロセス — は、円筒形セルおよび大量生産向けに確立された標準方式です。積層方式 — 個別にZ字状に層を重ねるプロセス — は、より低い内部抵抗、より高いエネルギー密度、より優れた熱均一性、より長いサイクル寿命を実現し、高性能なパウチ型セルおよび角形セルで好まれる方式であり、全固体電池において唯一実現可能な製造経路です。2つの技術は、セル形状、性能要件、生産コストに基づいて、それぞれ異なる用途分野へと分化しています。TOB NEW ENERGYは、巻回装置と積層装置の両方におけるエンジニアリング能力を備えており、独自の巻回機械CN202122173244特許で保護された技術を含む — 客観的な工程選定に必要なデュアル技術評価能力を提供します。

TOB技術チーム — 厦門TOB新エネルギー技術有限公司。